基于FPGA的無線充電器接收器系統(tǒng)的解決方案
本文將介紹基于FPGA的無線充電器接收器系統(tǒng)的解決方案。無線充電器接收器嚴(yán)格遵循最新的WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)。接收器系統(tǒng)包含一個(gè)模擬模塊和一個(gè)FPGA模塊。模擬模塊由分立式組件組成,包括全橋整流器模塊、V/I檢測(cè)和AD控制模塊以及DC-DC模塊。FPGA模塊充當(dāng)數(shù)字內(nèi)核,其內(nèi)嵌通信模塊、控制模塊、計(jì)算模塊和收發(fā)器模塊。它使用Verilog語言和狀態(tài)機(jī)對(duì)FPGA編程。最后,通過測(cè)試和驗(yàn)證,無線充電器接收器在多個(gè)主要OEM的無線充電器發(fā)射器上工作極佳。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/201612/328331.htm1. 背景
隨著無線充電器技術(shù)的蓬勃發(fā)展,以及越來越多的智能手機(jī)用戶被各種充電電纜所困擾,方便易用的無線充電器將被普遍接受和采用。目前有三種不同的無線充電器標(biāo)準(zhǔn):WPC (Qi)、PMA和A4WP.WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)更常用于智能手機(jī)應(yīng)用?,F(xiàn)在,許多智能手機(jī)OEM已推出支持WPC標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器解決方案。本文將重點(diǎn)介紹WPC標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器接收器解決方案,及其與基于FPGA的詳細(xì)系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)系。
2. WPC標(biāo)準(zhǔn)概述
WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)提供無線充電器系統(tǒng)的詳細(xì)說明,包括通信和傳輸協(xié)議。功率始終從充電板傳輸至移動(dòng)設(shè)備。充電板包含一個(gè)稱為功率發(fā)射器(由主線圈組成)的子系統(tǒng),而移動(dòng)設(shè)備包含一個(gè)稱為功率接收器(由次級(jí)線圈組成)的子系統(tǒng)。
圖1說明了基本系統(tǒng)配置。如圖所示,功率發(fā)射器由兩個(gè)主要功能單元組成,即功率轉(zhuǎn)換單元和通信與控制單元。 控制與通信單元將轉(zhuǎn)換的功率調(diào)節(jié)至功率接收器請(qǐng)求的水平。功率接收器則由一個(gè)功率拾取單元和一個(gè)通信與控制單元組成。
功率接收器位于手機(jī)端,因此接下來將主要介紹功率接收器系統(tǒng),并說明基于FPGA的無線充電器接收器的解決方案。
圖1:基本系統(tǒng)配置
3. 基于FPGA的功率接收器系統(tǒng)概述
根據(jù)WPC Qi標(biāo)準(zhǔn),功率接收器系統(tǒng)將包含一個(gè)功率拾取單元和一個(gè)通信與控制單元。示例中將詳細(xì)介紹一個(gè)完全滿足WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)要求的接收器解決方案。 圖2顯示基于FPGA的功率接收器系統(tǒng)的架構(gòu)。
圖2:系統(tǒng)架構(gòu)
如圖2中所示,接收器系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng),一個(gè)是模擬模塊,另一個(gè)是數(shù)字模塊。模擬模塊由分立式器件組成,包括全橋整流器模塊、V/I檢測(cè)和AD控制模塊、通信模塊和DC-DC模塊。數(shù)字模塊內(nèi)置在FPGA中,使用Verilog語言編寫程序。數(shù)字內(nèi)核模塊可分為三個(gè)主要子模塊: 第一個(gè)是通信和PWM控制模塊,第二個(gè)是計(jì)算模塊,第三個(gè)是Rx和Tx(接收器和發(fā)射器)模塊。下面更為詳細(xì)地介紹了這些模塊。
4. 模擬模塊
次級(jí)線圈是模擬模塊的供電來源;主線圈和次級(jí)線圈組成一個(gè)完整的無芯諧振變壓器。通過電磁耦合,交變磁場(chǎng)將在次級(jí)線圈產(chǎn)生交流電源,然后全橋整流器將交流轉(zhuǎn)換為直流。圖3顯示部分模擬模塊的原理圖。
圖3:部分模擬模塊的原理圖
4.1 全橋整流器
在此解決方案中,F(xiàn)AN156 (U10)比較器、FDMA8878(M1、M2、M3、M4)N溝道MOSFET、FAN7085和FAN3180(U2、U3、U4、U5)MOSFET驅(qū)動(dòng)器組成全橋整流器。FAN156器件的輸出信號(hào)直接饋入FPGA,然后FPGA向全橋整流器提供控制信號(hào)H1、L1、H2和L2.
FAN156比較器用于檢測(cè)線圈兩端的極性。如原理圖中所示,如果線圈+為正極,線圈-為負(fù)極,則FAN156比較器向FPGA提供“H”信號(hào)。類似地,如果線圈+為負(fù)極,而線圈-為正極,則FAN156比較器向FPGA提供“L”信號(hào)。然后PWM控制模塊將根據(jù)這些輸入提供輸出。從全橋整流器角度來看,如果線圈+為正極,線圈-為負(fù)極,則N溝道MOSFET的M1和M4應(yīng)導(dǎo)通,而M2和M3應(yīng)關(guān)斷。類似地,如果線圈+為負(fù)極,線圈-為正極,則N溝道MOSFET的M2和M3應(yīng)導(dǎo)通,而M1和M4應(yīng)關(guān)斷。這樣就構(gòu)成一個(gè)整流循環(huán),在M1和M4打開與M2和M3閉合之間或M2和M3打開與M1和M4閉合之間應(yīng)存在死區(qū)時(shí)間。這是因?yàn)橛幸粋€(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn),例如,當(dāng)FPGA發(fā)送指令使M1和M4導(dǎo)通時(shí),同時(shí)M2和M3也導(dǎo)通并將關(guān)斷,因此M1和M2將構(gòu)成一個(gè)低阻抗路徑。應(yīng)避免這種情況。需要死區(qū)時(shí)間以確保M2在M1導(dǎo)通之前關(guān)斷。在此解決方案中,可在FPGA PWM控制模塊中添加死區(qū)時(shí)間。圖4說明了PWM控制模塊的時(shí)序圖。 請(qǐng)注意,“1”指邏輯“H”,“0”指邏輯“L”,F(xiàn)AN7085為負(fù)邏輯。
圖4:PWM控制模塊時(shí)序圖
4.2 V/I檢測(cè)和AD控制模塊
V/I檢測(cè)和AD模塊負(fù)責(zé)電壓和電流數(shù)據(jù)采集,這些參數(shù)對(duì)于FPGA控制模塊至關(guān)重要。在此解決方案中,10位ADC(U8、U9)、差分放大器(U6)和FAN4931器件(U7)組成V/I檢測(cè)和AD控制模塊。一個(gè)20毫歐精密電阻用于檢測(cè)電流,差分放大器則放大該精密電阻上的壓降。例如,將差分放大器設(shè)置為100 V/V增益,且ADC的參考電壓為2.5 V,因此可檢測(cè)到的最大電流為1.25 A,并且理論精度小于2 mA.
精密分壓電阻R9和R10用于檢測(cè)整流DC電壓Vrec;如果R9=75 K且R10=24.9 K(如原理圖中所示),由于ADC的參考電壓為2.5 V,因此最大可檢測(cè)電壓為10 V,理論精度小于10 mV.FAN4931器件用作電壓跟隨器,以實(shí)現(xiàn)ADC和電阻分壓器之間的阻抗匹配。
ADC、CS和CLK的控制信號(hào)來自FPGA控制模塊。其輸出數(shù)據(jù)將饋入FPGA,計(jì)算模塊將利用此數(shù)據(jù)計(jì)算收到的功率,而控制模塊將利用此數(shù)據(jù)作為verilog程序的輸入信號(hào)。
5. 數(shù)字模塊
數(shù)字內(nèi)核模塊內(nèi)置在FPGA中,其對(duì)功率接收器系統(tǒng)至關(guān)重要。
5.1 通信和PWM控制模塊
WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)控制角度提供了功率傳輸階段的詳細(xì)說明。 從功率發(fā)射器到功率接收器的功率傳輸包含四個(gè)階段:?jiǎn)?dòng)(選擇)、ping、ID和C(識(shí)別和配置)以及PT(功率傳輸)。圖5說明了這些階段之間的關(guān)系。
圖5:功率傳輸階段
WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)還定義了功率傳輸階段中的嚴(yán)格時(shí)序要求。根據(jù)這些要求,本文給出了狀態(tài)機(jī),包括九種不同狀態(tài),并且將根據(jù)此狀態(tài)機(jī)編寫FPGA控制模塊程序。圖6說明了控制模塊狀態(tài)機(jī)。
每次將接收器板置于無線充電器墊上時(shí),控制程序?qū)⑦M(jìn)入狀態(tài)0.如果連接(ping)成功,接收器將進(jìn)入充電狀態(tài)。這樣控制程序?qū)⒈3衷跔顟B(tài)5和6中,控制模塊將發(fā)出控制錯(cuò)誤包以調(diào)節(jié)充電電流,還將發(fā)送接收的功率包以實(shí)施FOD(異物檢測(cè))功能。
圖6:控制模塊狀態(tài)機(jī)
5.2 計(jì)算和Rx及Tx模塊
計(jì)算模塊用于計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度、控制錯(cuò)誤和接收功率。在模擬模塊中,ADC將向FPGA提供電壓和電流信息,計(jì)算模塊將獲取信號(hào)強(qiáng)度、控制錯(cuò)誤和接收的功率,并將其發(fā)送給Rx和Tx模塊。
信號(hào)強(qiáng)度值可使用以下公式計(jì)算得出:
其中,U是監(jiān)控的變量,Umax是最大值,即功率接收器在數(shù)字ping過程中預(yù)期該變量所達(dá)到的值。 請(qǐng)注意,功率接收器應(yīng)在U≥Umax時(shí)將信號(hào)強(qiáng)度值設(shè)置為255.此處使用整流電壓Vrec作為U,ADC將向FPGA提供10位數(shù)字化電壓,而FPGA將用其計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度。
接收功率值可由下式計(jì)算得出:
其中,最大功率和功率等級(jí)為配置包中包含的值,在低功率無線充電器應(yīng)用中,最大功率應(yīng)設(shè)置為10.按照WPC Qi 1.1.1版,功率等級(jí)應(yīng)設(shè)置為0,這意味著功率接收器應(yīng)向整流器輸出提供- 5 W.請(qǐng)注意,此處公式2中的接收功率值不是實(shí)際值。應(yīng)由下式轉(zhuǎn)換:
其中,如果接收功率值為128,則意味著接收功率為5W.
所有這些算法都在FPGA中實(shí)施。
Rx和Tx模塊使用來自計(jì)算模塊的數(shù)據(jù)來處理數(shù)據(jù)包,并將這些數(shù)據(jù)包發(fā)送至功率發(fā)射器。WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)定義了通信中的數(shù)據(jù)格式。在每次數(shù)據(jù)傳輸中,將傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。一個(gè)數(shù)據(jù)包由一個(gè)用于位同步的前同步碼(11位以上1)、指明數(shù)據(jù)包類型的一字節(jié)消息頭、消息信息(127個(gè)字節(jié))和一個(gè)校驗(yàn)和字節(jié)組成。一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)為11位串行格式。此格式由一個(gè)位起始位、八個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)校驗(yàn)位和一個(gè)位停止位組成。起始位為零。數(shù)據(jù)位的順序從最低有效位(LSB)優(yōu)先。校驗(yàn)位為奇數(shù),停止位為1.數(shù)據(jù)位采用差分雙相碼編碼,其速度為2Kbps.數(shù)據(jù)格式如圖 7中所示。
圖7:數(shù)據(jù)格式
6. 結(jié)論
通過測(cè)試和分析,演示板在主要OEM的無線充電器墊上運(yùn)行良好。這表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,具有一些實(shí)用價(jià)值。圖8顯示了此解決方案用于在主要OEM的無線充電器墊上對(duì)手機(jī)充電。隨著便攜設(shè)備越來越普及,便利充電將成為不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì),而無線充電可能是最佳選擇。此解決方案采用一些分立式器件和一個(gè)FPGA,來驗(yàn)證Qi標(biāo)準(zhǔn)充電器接收器的設(shè)計(jì),并對(duì)無線充電器接收器系統(tǒng)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)采用極高的技術(shù)參考值。隨著無線充電器市場(chǎng)的發(fā)展,此方法可極輕松地集成到新的芯片中。
圖8:無線充電器墊上的無線充電
評(píng)論